JP3858710B2 - レーザ発振器およびその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器の故障を検出する異常判定手段に関するものであり、レーザ光の増幅部分の異常であるか電源関係の異常であるかを確実に判断でき、故障個所の特定を容易にするものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、レーザ発振器の概略構成を示した構成図である。
図において、１は電源装置１０により直流の電流を流すことにより発光するレーザダイオード、２はレーザ媒質、３は全反射ミラー、４は部分反射ミラー、５はレーザ光を拡大する拡大レンズ、６はレーザ光を平行化する平行化レンズ、７は光ファイバ入射レンズ、８は光ファイバ、９は加工ヘッド、１０は電源装置である。
レーザダイオード１に直流の電流を流すことにより発光させ、レーザ媒体２を励起し、全反射ミラー３と部分反射ミラー４間で共振を起すことによって、レーザ光が得られる。
このようにして得られたレーザ光を、拡大レンズ５、平行化レンズ６を用いて拡大、平行化し、光ファイバ入射レンズ７により光ファイバ８の端面に集光する。そして、この集光されたレーザ光は、光ファイバ８内部を通過し、加工ヘッド９を通して、所定の位置にレーザ光が導光される。
なお、レーザ出力の調整は、レーザダイオード１に通電する電流を可変することにより行うことができ、一般的には、レーザダイオード１に通電する電源装置１０に所望するレーザ出力、電流指令を外部より与え、この電源装置１０により、レーザダイオード１に通電する電流を制御する。
【０００３】
図１２は、電源装置１０の内部の具体例を表した構成図である。
まず、電源装置１０の基本動作について説明する。
電源装置１０において、入力電源は整流ユニット１６により、直流に変換し、コンデンサ１７に充電される。
ここで、トランジスタ１３がオンすることにより、リアクトル１４を介して、レーザダイオード１に電流が流れ始める。
トランジスタ１３がオンしている間は、レーザダイオード１に流れる電流が増加していくため、電流が所望の電流値より大きくなると、トランジスタ１３をオフして電流を減少させる。
逆に、電流が所望の電流より小さくなるとトランジスタ１３をオンして電流を増加させる。
このオン、オフを繰り返すことにより、電流を所望の電流値に制御する。
このオン、オフのタイミングの制御には、図１３に示される如く、電流値に上限値、下限値を設けてその上下限値の範囲で、オン、オフを制御するヒステリシスコンパレータ制御やある一定期間中のオン時間を制御するＰＷＭ制御等がある。
【０００４】
次に、制御に関して、図１２を用いて、詳細に説明する。
電流制御装置１８は、所望の電流値（電流指令値）及び電流センサ１２を介して適切なゲイン調整２０を行った現在流れている電流値を取り込む。
そして、この２種の取り込んだデータを、ヒステリシスコンパレータ制御の場合は、比較器２１に取り込み、あらかじめ設定されているオンする電流値、オフする電流値と比較し、トランジスタ１３をオンするか、オフするかを決定する。
一方、図には示していないが、ＰＷＭ制御の場合は、この２種の取り込んだデータの差分量をマイコン等で演算し、一定期間中のオン時間を制御する。
【０００５】
このように求められたトランジスタ１３のオン、オフ指令は、トランジスタ１３を駆動する回路（制御系のロジック信号にもとづいて、トランジスタ１３を実際にオン、オフするために必要な電流や電圧を供給するための回路）に送られ、トランジスタ１３がオン、オフすることになる。
これら動作により、所望の電流値を電流制御装置１８に取り込み、その電流値になるように制御している。
【０００６】
次に、所望のレーザ出力値になるようにする場合の制御について説明する。
電流制御装置１８は、所望のレーザ出力指令値及びレーザ出力モニタ用センサ１１を介したレーザ出力モニタ値（現在のレーザ出力）を取り込む。
そして、この取り込んだデータの差分量を演算し、現在の電流指令値を制御する。
この制御された電流指令値にもとづき、外部より所望の電流値を与えた場合と同様にトランジスタ１３のオン、オフを制御する。
なお、スイッチ１９は、電流指令を有効にするか、レーザ出力指令を有効にするかの切換スイッチである。
【０００７】
上述のように制御される固体レーザ発振器は、金属等の溶接や切断に使用される。
このとき、所望のレーザ出力を維持できない場合、溶接不良や切断不良が発生してしまうため、所望のレーザ出力を維持できない場合には、外部に異常として報知する手段が必要となってくる。
この所望のレーザ出力が得られない場合に、異常として外部へ報知する手段の例としては、所望のレーザ出力が最低２００Ｗ必要であるとき、レーザ出力のモニタ値が、２００Ｗに達すると、オンする回路２５を付加しておき、オン信号を発振器制御装置２６に入力するとともに、オン信号を待つ時間を規定し、その規定時間内に、この信号がオンしないときに異常を報知するように構成した例がある。
また、溶接等で、溶け込みすぎるのを嫌い、レーザ出力の上限値を規定する場合は、たとえば最大３００Ｗと上限値を設定し、この出力を超えたときにオンする回路２４を付加しておき、このオン信号を、同様に異常を報知するように構成する例がある。
【０００８】
また、レーザダイオード１には、流すことのできる最大電流が規定されているため、この規定された電流値以上の電流が流れたときは、異常として外部に報知することが必要である。
たとえば、５０Ａ以上流れるとレーザダイオード１が破損する場合は、電流センサ１１からの電流モニタ値が、５０Ａより大きい場合にオンする回路２３を付加しておきそのオン信号を発振器制御装置２６に入力し、異常を報知するように構成する。
このオン信号に基づき、発振器制御装置２６は適切な処理（電源遮断等）を行い、レーザダイオード１を保護する。
ここでは、レーザダイオード１の保護する例をあげたが、当然、他の素子（トランジスタ１３、リアクトル１４等）に流し得る電流値がレーザダイオード１に流し得る電流値より低い場合は、その素子に合わせて、電流値の規定を変更することが必要である。
【０００９】
このようにして、固体レーザ発振器では、レーザ出力の異常を外部に報知する手段を有するため、溶接や切断の不良を事前に防いでいる。
また、電流が規定値以上に流れた場合には、異常を外部に報知する手段により、各素子の保護を行っている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の固体レーザ発振器では、レーザ出力の上限値を越えたという異常と、電流の規定値を越えたという異常が同時に発生したときは、レーザダイオード１に電流が、流れすぎたと判断し、電源関係の異常によりレーザ出力の上限値を超えたと判断できる。
なお、ここでいう電源関係の異常とは、図１におけるレーザダイオイード１を除いた光の増幅部分の異常（ＰＲミラー、ＴＲミラーの損傷等）以外をあらわしており、電源に使用している素子等の故障がある。
【００１１】
一方、レーザ出力の上限値を超えたという異常のみの通知（電流の規定値を越えたという異常が発生しなかった場合）では、電源関係の異常の有無を判断することができない。
一例として、図１２において、出力の制限値を下限２００Ｗ、上限３００Ｗとし、規定の最大電流値を５０Ａとし、電流を２０Ａ流すと、レーザ出力が２５０Ｗ得られ、４０Ａ流すと３５０Ｗ得られるレーザ発振器とし、所望の電流指令値を２０Ａとした場合について説明する。
電流センサ１１からの電流モニタ値が、ゲイン調整２０に異常があり、実際の電流値の０．５倍の値を比較器２１に戻した場合、本来は、２０Ａの電流がレーザダイオード１に流れるように制御されるが、実際は、（１／０．５）倍の４０Ａの電流がレーザダイオード１に流れるように制御されるため、レーザ出力は、３５０Ｗ出力されることになる。
このため、従来では出力の上限を超えたレーザ出力の異常と判断される。
なお、この際に、実際のレーザダイオード１に流れている電流は４０Ａであり、規定の最大電流値以下であることから電流の規定値を越えたという異常は発生しない。
通常、レーザ出力の上限値を超えた異常といえば、光の増幅部分であると考えられるが、この場合には、光の増幅部分の異常ではなく、電流制御装置１８のゲイン調整２０の異常であり、電源関係の異常であるとしなけばならないが、それを確実に検出することができなかった。
【００１２】
また、レーザダイオード１への配線が断線していた場合は、レーザダイオード１に電流が流れることはなく、当然レーザ出力は出ない。
このため、レーザ出力は制限値の下限より低くなり、レーザ出力の異常が発生する。
なお、この際に、レーザダイオード１には、電流が流れていないため、電流の規定値を超えたという異常は発生しない。
この場合も同様に、光の増幅部分の異常ではなく、断線という電源関係の異常であると判断しなけばならないが、レーザ出力の異常のみでは、その特定をすることができなかった。
【００１３】
これは、電源の異常検出が、電源本体の保護（レーザダイオード１や、トランジスタ１３等の素子の保護）を目的として、設定されているため、溶接不良や切断不良の原因になりうる電源の異常が、レーザ出力の異常として検出するようになっているためである。
【００１４】
つまり、従来のレーザ発振器では、レーザ出力の異常により、溶接不良や切断不良の発生をなくすことはできるが、光の増幅部分の異常か電源関係の異常か判断することはできず、異常の個所の特定が困難であり、異常発生時の処置に時間を要していた。
本発明では、上述した問題点を解決すべくなされたものであり、溶接不良や切断不良の発生をなくすと同時に、故障個所の特定を容易にする装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ発振器は、入力されるレーザ出力指令値或いは電流指令値に応じて、レーザ媒質への励起を制御して所望のレーザ出力を得るレーザ発振器において、上記レーザ出力指令値或いは電流指令値より基準となるレーザ出力波形及び電流波形を生成する基準波形生成手段と、レーザ媒質の励起のための電流値を電流モニタ値として取り込み、上記基準波形生成手段で生成した上記電流波形と比較する第１の比較手段と、励起され出力されるレーザ出力値をレーザ出力モニタ値として取り込み、上記基準波形生成手段で生成した上記レーザ出力波形と比較する第２の比較手段と、を備え、異常を検出するものである。
【００１６】
また、レーザ媒質を励起するためのレーザダイオードに流れる電流を制御する主回路素子のオン・オフ信号を取り込み、レーザ出力指令値或いは電流指令値より基準波形生成手段にて生成された主回路素子のオン・オフ信号と比較する第３の比較手段と、を備えたものである。
【００１７】
さらに、比較手段において比較をする際に、基準波形に対して所定の許容範囲を設定するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ発振器の構成を示す構成図である。
まず、電源装置１０の基本動作について説明する。
電源装置１０において、入力電源は整流ユニット１６により、直流に変換し、コンデンサ１７に充電される。
ここで、トランジスタ１３がオンすることにより、リアクトル１４を介して、レーザダイオード１に電流が流れ始める。
トランジスタ１３がオンしている間は、レーザダイオード１に流れる電流が増加していくため、電流が所望の電流値より大きくなると、トランジスタ１３をオフして電流を減少させる。
逆に、電流が所望の電流より小さくなるとトランジスタ１３をオンして電流を増加させる。
このオン、オフを繰り返すことにより、電流を所望の電流値に制御する。
このオン、オフのタイミングの制御には、従来技術で説明した例えば図１３に示される如く、電流値に上限値、下限値を設けてその上下限値の範囲で、オン、オフを制御するヒステリシスコンパレータ制御やある一定期間中のオン時間を制御するＰＷＭ制御等がある。
【００１９】
次に、制御に関して、図１を用いて、詳細に説明する。
電流制御装置１８は、所望の電流値（電流指令値）及び電流センサ１２を介して適切なゲイン調整２０を行った現在流れている電流値を取り込む。
そして、この２種の取り込んだデータを、ヒステリシスコンパレータ制御の場合は、比較器２０に取り込み、あらかじめ設定されているオンする電流値、オフする電流値と比較し、トランジスタ１３をオンするか、オフするかを判定する。
一方、図には示していないが、ＰＷＭ制御の場合は、この２種の取り込んだデータの差分量をマイコン等で演算し、一定期間中のオン時間を増減する。
【００２０】
次に、本実施の形態の特徴である異常判定装置２２の動作について説明する。従来の異常判定装置では、予め設定された電流制限値、レーザ出力上限値、レーザ出力下限値と取り込んだ電流モニタ値及び、レーザ出力モニタ用値とを比較することにより異常判定を行っていたが、本実施の形態では、電流指令値、レーザ出力指令値を取り込む構成とし、取り込んだ電流モニタ値及び、レーザ出力モニタ用値とを比較するようにしている。
【００２１】
図２は、異常判定装置における異常判定の処理フローを示したフローチャートであり、該フローチャートを用いて異常判定の概略動作について説明する。
まず、ステップＳ１にて、電流指令値、レーザ出力指令値を入力する。なお、電流指令値、レーザ出力指令値は、どちらか一方が入力される。
ステップＳ２では、そのどちらか一方の指令値から、その指令値に対応する基準となる電流及びレーザ出力の波形を生成する（以下、その指令値に対応する基準となる電流及びレーザ出力の波形を、それぞれ電流基準波形、レーザ出力基準波形と称す）。
ステップＳ３では、それぞれの基準波形から、電流センサ１２を介して検出された電流モニタ値である実際の電流、及びレーザ出力モニタ用センサ１１を介して入力されたレーザ出力モニタ値であるレーザ出力が異なっていても許容できる範囲を設定する。
ステップＳ４では、第１の比較手段である比較部２８にて、その許容できる範囲と電流モニタ値を比較し、許容できる範囲から外れた場合、ステップＳ５にて異常と判定しエラーの信号を発振器制御装置２６に出力する。
ステップＳ６では、第２の比較手段である比較部２９にて、その許容できる範囲とレーザ出力モニタ値を比較し、許容できる範囲から外れた場合、ステップＳ７にて異常と判定しエラーの信号を発振器制御装置２６に出力する。
上述したステップＳ１〜７の動作を繰り返して行い、固体レーザ発振器を監視する。
【００２２】
次に、電流指令値または、レーザ出力指令値から電流基準波形及びレーザ出力基準波形の生成についての具体例を述べる。
まず、電流指令から電流基準波形を生成する例について述べる。
電流基準波形は、図１において、トランジスタ１３がオンしているとき、リアクトル１４と負荷であるレーザダイオード１の特性によって決まる立上り波形となる。
ここで、レーザダイオード１の特性は、図３のように、抵抗Ｒと直流電圧源Ｖで近似することができるので、図４に示すように電流は、ほぼ直線的に増加する。このときの立ち上がりの電流の傾きは、リアクトル１４のインダクタンス値をＬ１、レーザダイオード１を近似した抵抗値をＲ１とすると、ほぼ傾きは（Ｒ１／Ｌ１）の値によって決まる定数αとして求められる。
この定数αは、リアクトル１４とレーザダイオード１の特性が変わらないときは、常に決まった値となることから、リアクトル１４とレーザダイオード１の特性が変わらない限り、電流の立上り波形は、定数αを用いて表すことができ、電流Ｉ＝傾きα×時間ｔと数式で表すことができる。
【００２３】
また、定数αが電流指令値によらず一定であるので、所望の電流値に到達する時間が電流指令値によって異なる。
電流指令値をＩ１とすると、Ｉ１までの到達時間は、（Ｉ１／α）で表される。
【００２４】
したがって、電流は下記のような関数で表すことができる。
０≦ｔ≦（Ｉ１／α）のとき
Ｉ＝α×ｔ・・・・・・・・式１
（Ｉ１／α）≦ｔのとき
Ｉ＝Ｉ１・・・・・・・・・式２
となる。
電流が関数で表されるのでこれを電流基準波形とすることができる。
【００２５】
なお、レーザダイオード１を抵抗と電圧源という近似で表すと、比較的単純な関数で表すことができるが、レーザダイオード１の特性によっては単純に抵抗と電圧源で表すことができない場合がある。
このときは、実際に電流波形を測定し、近似曲線の関数を求め、その関数を電流基準波形とする必要がある。
【００２６】
その他の方法は、図５のように、実際の電流波形を階段近似する方法がある。時間ｔ１からｔ２までの間の電流値はＩａ、次の時間ｔ２からｔ３の間の電流値はＩｂと階段状に近似する方法である。
この近似の極端な例が、図５ｂの如く、時間０から所望の電流値になる時間ｔｘまで、電流値は０とし、時間ｔｘ以後の電流値は所望の電流値Ｉ１であるとした場合である。
【００２７】
以上のように、電流指令から電流基準波形を生成することができる。
【００２８】
次に、電流指令からレーザ出力基準波形を生成する場合について説明する。
この場合は、電流値とレーザ出力の関係の関数を、上述した電流基準波形の関数に代入すれば、求めることができる。
レーザ出力は、閾値電流（レーザが発振するために最低必要な電流）を超えると電流の増加に比例してレーザ出力が増えるため、電流Ｉとレーザ出力Ｐの関係は、
Ｐ＝β×（Ｉ−γ）・・・・・式３
とあらわすことができる。ここで、βは比例定数、γは閾値電流である。
【００２９】
電流基準波形が、式１，２の関数で表されているとすると、レーザ出力は、下記のような関数で表すことができる。
０≦ｔ≦（Ｉ１／α）のとき
Ｐ＝β×（α×ｔーγ）・・・式４
（Ｉ１／α）≦ｔのとき
Ｐ＝β×（Ｉ１−γ）・・・・式５
となる。
レーザ出力が関数で表されるので、これをレーザ出力基準波形とすることができる。
【００３０】
なお、電流値とレーザ出力の関係が式３のように単純に表すことのできない場合は、実際にレーザ出力波形を測定し、近似曲線の関数を求め、その関数を、レーザ出力基準波形とする必要がある。
その他、電流指令値から電流基準波形を求める例で、階段近似する場合も例示したが、レーザ出力基準波形を求める場合も同様に、階段近似することも可能である。
【００３１】
次に、レーザ出力指令から電流基準波形を生成する場合について説明する。
レーザ出力モニタ値がレーザ出力指令値になるまで電流は増加しつづける。
そして、レーザ出力指令値になると、電流は一定値になる。
この波形は、レーザ出力指令値Ｐ１になる電流値をＩｐ１とすると電流指令値から電流基準波形を求めた場合の、電流指令値Ｉ１をＩｐ１と置き換えることによって得ることができる。
【００３２】
例えば、電流指令値、実際の電流及びレーザ出力が式１，２，３で表されているとすると、式３より、レーザ出力指令値Ｐ１になる電流値Ｉｐ１は
Ｉｐ１＝（Ｐ１／β）＋γ・・式６
となる。
したがって、式１，２から
０≦ｔ≦（（（Ｐ１／β）＋γ）／α）のとき
Ｉ＝α×ｔ・・・・・・・・・式７
（（（Ｐ１／β）＋γ）／α）≦ｔのとき
Ｉ＝（Ｐ１／β）＋γ・・・・式８
となる。
このように、電流が関数で表されるので、これを電流基準波形とすることができる。
【００３３】
なお、電流指令値から電流基準波形やレーザ出力基準波形を求める例でも説明したが、実際に電流波形を測定し、近似曲線の関数を求め、その関数を、電流基準波形としたり、階段近似を行い、電流基準波形とすることも可能である。
【００３４】
次に、レーザ出力指令からレーザ出力基準波形を生成する例について述べる。
電流指令からレーザ出力基準波形を生成する例でも述べたように、電流値とレーザ出力の関係の関数を、電流基準波形の関数に代入すれば、求めることができる。
例えば、電流基準波形が、式７，８となっているときは、式３より、
０≦ｔ≦（（（Ｐ１／β）＋γ）／α）のとき
Ｐ＝β×（α×ｔ−γ）・・・式９
（（（Ｐ１／β）＋γ）／α）≦ｔのとき
Ｐ＝Ｐ１・・・・・・・・・・式１０
となる。
このように、レーザ出力が関数で表されるのでこれをレーザ出力基準波形とすることができる。
当然、実際にレーザ出力波形を測定し、近似曲線の関数を求め、その関数を、レーザ出力基準波形としたり、階段近似を行い、レーザ出力基準波形とすることも可能である。
【００３５】
以上の例は、電流及びレーザ出力の立上りと一定の値をとる場合についての例を述べたが、立下りの場合も同様に基準波形を生成できる。
また、電流指令、レーザ出力指令がないとき、言い換えれば、電流値０Ａ、またはレーザ出力０Ｗを指示しているときは、当然、電流値０Ａ、レーザ出力０Ｗという基準波形を生成することができる。
【００３６】
次に、上述のように求められた電流基準波形、レーザ出力基準波形に対して、実際の電流モニタ値やレーザ出力モニタ値が異なっていても許容できる範囲を設定する必要がある。
これは、負荷であるレーザダイオード１やリアクトル１４の特性にばらつきが存在するため、それぞれの基準波形とは、異なる場合があるためである。
【００３７】
この許容範囲を決定するためには、
１ リアクトルやレーザダイオードの特性のばらつきによる電流の傾きのばらつき
２ 電流センサのオフセットずれ（実際には０Ａであるのに１Ａ流れているかのようにセンサの信号を出力する）による電流値の平行シフト
３ トランジスタのオンオフ制御による電流の最大電流値と最小電流値のばらつき（図１３におけるとトランジスタオン電流値とオフ電流値との差）
等を考慮する必要がある。
【００３８】
上記のような項目を検討し、許容範囲を決定するが、この具体的数値については、電源により異なるため、ここでは、詳細には述べないが、許容範囲の設定方法の例について説明する。
電流基準波形、レーザ出力基準波形ともに同様の考え方をするので、ここでは、電流基準波形を例にとって説明する。
【００３９】
許容範囲を設定した後に、正常か異常かの判定を行うが、その判定は、ある時間での基準波形からどのくらいモニタ値がずれているかを測定し、正常か異常かの判定の判定を行う。
または、ある基準電流に達する時間が基準値とどのくらい異なるかを測定し、正常か異常かの判定の判定を行う。という２通りの方法が考えられ、それぞれにより許容範囲の設定が異なる。
そのため、ある時間のモニタ値が基準値とどのくらい異なるかを測定する場合、図６ａのように、ある時間で許容しうるモニタ値の大小を設定するように設定しなければならない。
一方、ある基準電流に達する時間が基準の時間値とどのくらい異なるかを測定する場合、図６ｂのようにある基準電流に対して到達時間の幅を設定しなければならない。
この場合、一定電流に到達した後は、ある時間のモニタ値が基準値とどのくらい異なるかという判定に変更する必要がある。
【００４０】
これらの許容範囲は、常に一定値でなくてもよく、電流指令値、レーザ出力指令値に関連付けて変化させても良いし、経過時間により、変化させても良い。
【００４１】
許容範囲設定後、その許容できる範囲と電流モニタ値及びレーザ出力モニタ値を比較する。
この比較は、前述したように、ある時間のモニタ値が基準値とどのくらい異なるかを測定する、あるいは、ある基準電流に達する時間が基準の時間値とどのくらい異なるかを測定する等の比較を行い、基準範囲から外れた場合、異常と判定しエラーの信号を発振器制御装置２６に出力する。
この比較するタイミングは、常時監視でも良いが、マイコンを使用した制御等では、一定周期ごとに、基準範囲から異なっているかを監視しても良い。
また、切断や溶接では、レーザ出力が一定になってから加工を行うことがほとんどであるため、電流やレーザ出力が一定になる時間までは、比較を行わず、電流やレーザ出力が一定になってから比較を開始するようにしてもよい。
【００４２】
本実施の形態では、このような動作を行うことにより、基準となる波形からモニタ値が外れたことを検出し、溶接不良や切断不良の発生をなくすとともに、確実に、レーザ出力の異常発生時に、光の増幅部分の異常であるか電源関係の異常であるかを判断でき、故障個所の特定を容易にすることができる。
【００４３】
従来技術で説明した場合と同じ場合、つまり、出力の制限値を下限２００Ｗ、上限３００Ｗとし、規定の最大電流値を５０Ａとし、電流を２０Ａ流すと、レーザ出力が２５０Ｗ得られ、４０Ａ流すと３５０Ｗ得られるとし、所望の電流指令値を２０Ａとする場合において説明する。
電流センサ１１からの電流モニタ値が、ゲイン調整アンプ２０に異常があり、実際の電流値の０．５倍の値を比較器２１に戻した場合、本来は、２０Ａの電流がレーザダイオード１に流れるように制御されるが、実際は、（１／０．５）倍の４０Ａの電流がレーザダイオード１に流れることになり、レーザ出力は、３００Ｗ出力されることになる。
このため、レーザ出力の異常と判断される。
従来例では、電源の異常は発生しないが、本発明では、基準となる波形から例えば３Ａ以上異なる場合異常と判断するように設定すれば、実際の電流は、４０Ａであるので、基準となる波形である２０Ａと３Ａ以上異なり、電源の異常を発見することができる。
つまり、光の増幅部分の異常ではなく、電流制御装置１８のゲイン調整アンプ２０の異常であり、正しく、電源関係の異常であると判断できる。
【００４４】
一方、レーザダイオード１への電線が断線しているとき、レーザ出力は制限値の下限より低くなり、レーザ出力の異常が発生するとともに、電流も流れていないため、基準となる波形と異なり電源の異常も発生する。
これにより、発生したレーザ出力異常は、電源の異常により発生したと判断できる。
【００４５】
レーザ出力異常が発生したとき、電源の異常が発生していない場合を考えてみると、従来技術では、実際に流れている電流の波形を基準となる波形と比較していないため、レーザダイオード１に電流が正しく流れている（基準となる波形通りに流れている）かどうかは判断できず、電源関係に異常がないとは断定できない。
しかしながら、本発明では、実際に流れている電流の波形を基準となる波形と比較しているため、レーザダイオード１に電流が正しく流れている（基準となる波形通りに流れている）ことは、明らかであり、光の増幅部分の異常であり、電源関係に異常がないと判断できる。
また、レーザ出力の異常を監視しているので、切断不良や溶接不良は発生しない。
【００４６】
以上のように、本発明では、電流センサ１２を介して検出された電流モニタ値とレーザ出力モニタ用センサ１１を介して入力されたレーザ出力モニタ値と、外部からの電流指令値またはレーザ出力指令値から求められた電流およびレーザ出力の基準となる波形との比較を実施し、異なる場合に、個別に異常を報知することを特徴としていることから、切断不良や溶接不良の発生をなくすとともに、確実に、レーザ出力の異常発生時に、光の増幅部分の異常であるか電源関係の異常であるかを判断でき、故障個所の特定を容易にすることができる。
【００４７】
実施の形態２.
本実施の形態２は、基準波形の設定方法が実施の形態１と異なる場合であり、その波形の設定方法は、図７に示されるものである。
実施の形態１では、電流指令値やレーザ出力指令値に基づき異なる基準波形を生成していたが、本実施の形態２では、電流指令値やレーザ出力指令値の代表値に基づき基準波形を生成する。
代表値のとりかたは、電流指令やレーザ出力指令の最大値でも良いし、中心値でもよい。
これを基準波形とし、電源を構成している素子のばらつき等に加えて、電流指令やレーザ出力指令が異なる場合の電流モニタ値やレーザ出力値の変化も考慮し、許容できる範囲を設定する。
また、別の基準波形の取り方としては、電流指令最小値及び最大値の指令に基づき基準波形を設定し、それに所定の許容できる範囲を設定しても同様である。こうすることにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
実施の形態３.
本実施の形態は、実施の形態１に、さらに、トランジスタ１３のオンオフ信号を異常判定装置２２の第３の比較手段に相当する比較部３０に入力する構造になっている。（図８）
トランジスタ１３のオンオフ信号は、トランジスタ１３のゲートドライブ素子の電圧変化を測定すると、トランジスタのオンオフ信号として使用する。
または、トランジスタのコレクタ電圧とコンデンサの−電極間の電位差を測定（図８のａ部）し、コンデンサの＋電位と同電位のときは、トランジスタがオンしていると判断し、逆に、コンデンサの−電位と同電位の場合、トランジスタがオフしていると判断することができるため、この電圧変化をトランジスタのオンオフ信号として使用してもよい。
本実施の形態では、このようにして、トランジスタのオンオフ信号をモニタすることができる。
【００４９】
このトランジスタのオンオフ信号も、電流指令値やレーザ出力指令値から、基準となるトランジスタオンオフ基準波形を生成する。
トランジスタオンオフ基準波形の生成方法の例として、図９のようなヒステリシスコンパレータ制御のようにある電流値にてトランジスタのオンオフが規定されている場合について述べる。
このとき、電流の増加時の傾きは、（Ｒ１／Ｌ１）の値によって決まる定数α１、減少時の傾きも、（Ｒ１／Ｌ１）の値によって決まる定数α２となる。
トランジスタのオンする電流値をＩｏｎ、オフする電流値をＩｏｆｆとすると、トランジスタがオンしている時間Ｔｏｎとオフしている時間Ｔｏｆｆは、
Ｔｏｎ＝（Ｉｏｎ−Ｉｏｆｆ）／α１・・式１１
Ｔｏｆｆ＝（Ｉｏｆｆ−Ｉｏｎ）／α２・式１２
となる。
【００５０】
これは、一定の電流値になった後の関係であり、一定の電流になるまでは、トランジスタはオンした状態のままである。
このオン時間Ｔｏｎ１は、電流指令値をＩ１とすると
Ｔｏｎ１＝Ｉ１／α１・・・・・・・・・式１３
となる。
また、一定の電流値から０Ａになるまでの時間Ｔｏｆｆ１は
Ｔｏｆｆ１＝Ｉ１／α２・・・・・・・・式１４
となる。
【００５１】
これらの式で与えられるトランジスタのオンオフの時間を基準波形とすることができる。
当然、トランジスタのオンオフ波形を実際に測定し、その波形を基準波形としてもよい。
その基準波形より、図１０のように、基準波形のオンからモニタ値のオフまでの間隔（図１０のＢ）を測定し、基準波形のオフの時間との許容範囲内（図１０のＤ）内に入っているかを判定する。
または、モニタ値のオンからモニタ値のオフの間隔（図１０のＣ）を測定し、基準波形のオンからオフまでの間隔（図１５のＡ）と比較し、許容範囲に入っているかを判定する。
ここでは、１周期のうちのオンからオフまでの間隔で例を示したが、オンからオンの間隔、１周期以上の間隔等で判定して良い。
以上のような判定結果に基づき、発振器制御装置２６にエラー信号を出力する。
【００５２】
このような構成にすることにより、トランジスタのオンオフ信号が正常に動作しているかを確認することができるため、電流波形が異常のときに、制御信号（トランジスタのオンオフ信号等）が異常であるのか、制御信号は正常であるのに電流の波形を決めるリアクトルやレーザダイオードの特性が異常であるのかを判断することができる。
つまり、レーザ出力の異常発生時に、光の増幅部分の異常であるか電源関係の異常であるかを判断できるうえに、電源異常に関しても、さらに詳細に故障個所の特定が可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、基準となる波形からモニタ値が外れたことを検出することにより、確実に、レーザ出力の異常発生時に、光の増幅部分の異常であるか電源関係の異常であるかといった異常原因を判断でき、故障個所の特定を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１におけるレーザ発振器の概略構成を示した構成図である。
【図２】 異常判定の処理フローチャートを示したフローチャートである。
【図３】 レーザダイオードの等価回路を示す説明図である。
【図４】 電流波形を示す図である。
【図５】 電流波形の近似を示す図である。
【図６】 異常判定のシーケンス
【図７】 実施の形態２における許容範囲の設定を示す図である。
【図８】 実施の形態３におけるレーザ発振器の概略構成を示した構成図である。
【図９】 トランジスタのオンオフ波形判定を示す図である。
【図１０】 トランジスタのオンオフ波形生成を示す図である。
【図１１】 従来のレーザ発振器の概略構成を示した構成図である。
【図１２】 電源装置１０の内部の具体例を表した構成図である。
【図１３】 ヒステリシスコンパレータ制御、ＰＷＭ制御の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザダイオード、２ レーザ媒体、３ 全反射ミラー、４ 部分反射ミラー、５ 拡大レンズ、６ 平行化レンズ、７ 光ファイバ入射レンズ、８ 光ファイバ、９ 加工ヘッド、１０ 電源装置、１１ レーザ出力モニタ用センサ、１２ 電流センサ、１３ トランジスタ、１４ リアクトル、１５ 還流ダイオード、１６ 整流ユニット、１７ コンデンサ、１８ 電流制御装置、１９ スイッチ、２０ ゲイン調整アンプ、２１ 比較器、２２ 異常判定装置、２３電流制限値比較器、２４ レーザ出力上限値比較器、２５ レーザ出力下限値比較器、２６ 発振器制御装置、２７ 基準波形生成部、２８ レーザ出力波形比較部、２９ 電流波形比較部、３０ トランジスタオンオフ信号比較部。

Claims (5)

1. 入力されるレーザ出力指令値或いは電流指令値に応じて、レーザ媒質への励起を制御して所望のレーザ出力を得るレーザ発振器において、上記レーザ出力指令値或いは電流指令値より基準となるレーザ出力波形及び電流波形を生成する基準波形生成手段と、レーザ媒質の励起のための電流値を電流モニタ値として取り込み、上記基準波形生成手段で生成した上記電流波形と比較する第１の比較手段と、励起され出力されるレーザ出力値をレーザ出力モニタ値として取り込み、上記基準波形生成手段で生成した上記レーザ出力波形と比較する第２の比較手段と、を備え、異常を検出することを特徴とするレーザ発振器。
2. レーザ媒質を励起するためのレーザダイオードに流れる電流を制御する主回路素子のオン・オフ信号を取り込み、レーザ出力指令値或いは電流指令値より基準波形生成手段にて生成された主回路素子のオン・オフ信号と比較する第３の比較手段と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振器。
3. 比較手段において比較をする際に、基準波形に対して所定の許容範囲を設定することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ発振器。
4. 入力されるレーザ出力指令値或いは電流指令値に応じて、レーザ媒質への励起を制御して所望のレーザ出力を得るレーザ発振器において、
   上記レーザ出力指令値或いは電流指令値より基準となるレーザ出力波形及び電流波形を生成する基準波形生成手段と、
   レーザ媒質の励起のための電流値を電流モニタ値として取り込む電流測定手段と、
   励起され出力されるレーザ出力値をレーザ出力モニタ値として取り込むレーザ出力測定手段と、
   上記基準波形生成手段で生成した上記電流波形と上記電流モニタ値とを比較し比較結果に基づきエラーを出力する第１の比較手段と、
   上記基準波形生成手段で生成した上記レーザ出力波形と上記レーザ出力モニタ値とを比較し比較結果に基づきエラーを出力する第２の比較手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ発振器。
5. レーザ出力指令値または電流指令値によりレーザの出力を制御するレーザ発振器制御方法において、
   上記レーザ出力指令値からレーザ出力基準波形を生成する工程と、
   上記電流指令値から電流基準波形を生成する工程と、
   上記レーザ出力基準波形および上記電流基準波形に許容範囲を設定する工程と、
   レーザ媒質の励起のための電流値を電流モニタ値として取り込む工程と、
   励起され出力されるレーザ出力値をレーザ出力モニタ値として取り込む工程と、
   上記電流モニタ値が上記電流基準波形の許容範囲から外れていないかを検出する第１の検出工程と、
   上記第１の検出工程にて許容範囲から外れていた場合エラーを出力する第１のエラー出力工程と、
   上記レーザ出力モニタ値が上記レーザ出力基準波形の許容範囲から外れていないかを検出する第２の検出工程と、
   上記第２の検出工程にて許容範囲から外れていた場合エラーを出力する第２のエラー出力工程と、
   を備えたことを特徴とするレーザ発振器の制御方法。

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